怎么做到用3个IO口控制6个LED灯的？
▲ 本文要分析的电路
事情是这样开始的。 买了个电动牙刷，几十块钱那种：
收到的实物长这样：
牙刷手柄上有1个按键和6个led灯
拆开看看电路板：
可以看出，电路板上用的单片机，只有8个脚，却要控制1个按键、6个led灯、1个震动的马达电机：
初看之下，gpio应该是不够用的。 单片机除去电源脚（正极）和gnd脚（负极），只剩最多6个gpio脚。 那么是怎么做到够用的？ 原来，经过巧妙的电路设计，这款电动牙刷实现了用3个gpio控制6个led灯，节省了gpio。
这个巧妙的电路如下：
6个led灯为相同的型号，为方便查看，用红绿两种颜色区分两种不同的方向。 一、原理分析 这个电路用到了单片机gpio的三种状态：
高电平
低电平
高阻态
所谓“高阻态”，是指gpio对外部电路表现出极大的阻抗。因阻抗很大，几乎不会吸入电流，也不会对外输出电流。 各个led灯单独亮起，分为六种情况。 1、当只有led1亮起时，单片机各gpio的状态如下：（带箭头的红线为电流回路）
2、当只有led2亮起时，单片机各gpio的状态如下：
3、当只有led3亮起时，单片机各gpio的状态如下：
4、当只有led4亮起时，单片机各gpio的状态如下：
5、当只有led5亮起时，单片机各gpio的状态如下：
6、当只有led6亮起时，单片机各gpio的状态如下：
整理如下：
就是这么简单！ 二、总结提升 以上其实是用了一种叫“查理复用”（charlieplex）的方法。 为什么叫查理复用？
很简单，因为这个方法来源于美信半导体公司的工程师charlie allen。
查理复用是一种能够在驱动led，特别是驱动大量led时有效地节约gpio的方法。 使用该方法，n个gpio可以驱动 n*(n-1) 个led，所以：
使用2个gpio可以驱动2个led。
使用3个gpio可以驱动6个led。
使用4个gpio可以驱动12个led。
以此类推。
这种方式能够实现的基础是：
单片机gpio的三个状态：高电平、低电平、高阻态。
led具有单向导电性。
查理复用设计的方法：
任意两个gpio引脚之间串入两个led，这两个led为并联，且led方向相反。
当你想要点亮某个特定的led时，就将其两端所连接到的gpio引脚分别设定为高电平和低电平，其它剩余的gpio引脚设定为高阻态。
前面电动牙刷中6个led灯的电路，就是这么设计的。
下面从最简单的开始，一步一步体会查理复用的电路设计。 1、使用2个gpio时最简单：
led1亮起时：
led2亮起时：
这里只用到高电平、低电平的状态，不需要用高阻态的状态。 2、使用3个gpio时，前面已经分析过：
可以等效为下图：
可以看出，确实是任意两个gpio之间均串入了两个并联的led，且led方向相反。 3、同样的原理，使用4个gpio时：
点亮led1时：
其他led亮起的情况不再列举。 查理复用这样的电路接法也会引发一些问题。 首先，led亮起时完全由单片机的gpio输出电流，所以对于gpio的电流驱动能力有一定的要求。设计电路时要注意查询自己使用的mcu的电流驱动能力，下图是stm32单片机中对gpio电流驱动能力的说明：
其次，如果出现了某个led开路或短路的情况，电流的流向会被打乱，led亮起来的逻辑会变得错乱。最坏的情况下，电路会对gpio索取大电流，导致单片机损坏。下图是假设led1短路，那么在点亮led5时，led3也会亮起：
三、继续进阶
如果要同时亮起两个以上的led，怎么办？
交替点亮他们就行，只要交替切换的速度够快，由于人眼的视觉暂留效应，看起来就是同时亮起的。
值得一提的是，如果要同时亮起的led较多，比如大规模的led点阵，那么还要注意一些新的问题，颇有门道。
本文不再展开，感兴趣的读者可以自行查询修炼，继续进阶。
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这个巧妙的电路如下：
6个led灯为相同的型号，为方便查看，用红绿两种颜色区分两种不同的方向。 一、原理分析 这个电路用到了单片机gpio的三种状态：
高电平
低电平
高阻态
所谓“高阻态”，是指gpio对外部电路表现出极大的阻抗。因阻抗很大，几乎不会吸入电流，也不会对外输出电流。 各个led灯单独亮起，分为六种情况。 1、当只有led1亮起时，单片机各gpio的状态如下：（带箭头的红线为电流回路）
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4、当只有led4亮起时，单片机各gpio的状态如下：
5、当只有led5亮起时，单片机各gpio的状态如下：
6、当只有led6亮起时，单片机各gpio的状态如下：
整理如下：
就是这么简单！ 二、总结提升 以上其实是用了一种叫“查理复用”（charlieplex）的方法。 为什么叫查理复用？
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查理复用是一种能够在驱动led，特别是驱动大量led时有效地节约gpio的方法。 使用该方法，n个gpio可以驱动 n*(n-1) 个led，所以：
使用2个gpio可以驱动2个led。
使用3个gpio可以驱动6个led。
使用4个gpio可以驱动12个led。
以此类推。
这种方式能够实现的基础是：
单片机gpio的三个状态：高电平、低电平、高阻态。
led具有单向导电性。
查理复用设计的方法：
任意两个gpio引脚之间串入两个led，这两个led为并联，且led方向相反。
当你想要点亮某个特定的led时，就将其两端所连接到的gpio引脚分别设定为高电平和低电平，其它剩余的gpio引脚设定为高阻态。
前面电动牙刷中6个led灯的电路，就是这么设计的。
下面从最简单的开始，一步一步体会查理复用的电路设计。 1、使用2个gpio时最简单：
led1亮起时：
led2亮起时：
这里只用到高电平、低电平的状态，不需要用高阻态的状态。 2、使用3个gpio时，前面已经分析过：
可以等效为下图：
可以看出，确实是任意两个gpio之间均串入了两个并联的led，且led方向相反。 3、同样的原理，使用4个gpio时：
点亮led1时：
其他led亮起的情况不再列举。 查理复用这样的电路接法也会引发一些问题。 首先，led亮起时完全由单片机的gpio输出电流，所以对于gpio的电流驱动能力有一定的要求。设计电路时要注意查询自己使用的mcu的电流驱动能力，下图是stm32单片机中对gpio电流驱动能力的说明：
其次，如果出现了某个led开路或短路的情况，电流的流向会被打乱，led亮起来的逻辑会变得错乱。最坏的情况下，电路会对gpio索取大电流，导致单片机损坏。下图是假设led1短路，那么在点亮led5时，led3也会亮起：
三、继续进阶
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值得一提的是，如果要同时亮起的led较多，比如大规模的led点阵，那么还要注意一些新的问题，颇有门道。
本文不再展开，感兴趣的读者可以自行查询修炼，继续进阶。
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